Luận văn Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano composite Fe2O3/C ứng dụng làm điện cực âm cho pin Fe - khí bao gồm ba chương: Chương 1 - Tổng quan về pin Fe - khí, Chương 2 - Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu, Chương 3 - Kết quả và thảo luận.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phùng Thị Sơn NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO COMPOSITE Fe2O3/C ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC ÂM CHO PIN Fe/KHÍ Chun ngành: Vật Lí nhiệt Mã số (Chương trình đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: HDC: TS. BÙI THỊ HẰNG HDP: GS. TS. LƯU TUẤN TÀI Hà Nội – 2015 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô giáo Bùi Thị Hằng, viện ITIMS, Đại học Bách Khoa Hà Nội và thầy giáo Lưu Tuấn Tài, Đại học Khoa học Tự nhiên, người đã tận tình hướng dẫn đề tài luận văn, người đã động viên, tạo mọi điều kiện và giúp đỡ để em hồn thiện luận văn tốt nghiệp này. Thầy cơ đã hướng dẫn em nghiên cứu về đề tài luận văn rất thiết thực và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong khoa học Em xin chân thành cảm ơn các thầy cơ giáo trong bộ mơn Vật Lí Nhiệt độ thấp, các thầy cơ giáo trong khoa Vật Lí – trường Đại học Khoa học Tự nhiên cũng như các thầy cơ giáo trong viện ITIMS, Đại học Bách khoa Hà Nội đã giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt q trình học tập và hồn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến Quỹ Phát triển Khoa học và Cơng nghệ Quốc gia (NAFOSTED). Nghiên cứu trong luận văn này được tài trợ bởi Quỹ trong đề tài mã số 103.022014.20, Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã ln bên em, cổ vũ và động viên tinh thần em những lúc khó khăn để em có thể vượt qua và hồn thành tốt luận văn này Hà Nội, ngày 24 tháng 11 năm 2015 Học viên: Phùng Thị Sơn MỤC LỤC MỤC LỤC 4 Tiếng Việt: 46 BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 49 Bùi Thị Hằng, Phùng Thị Sơn, Dỗn Hà Thắng – Vật liệu Composit Fe203 ứng dụng làm điện cực âm pin sắt/khí, kỷ yếu tại Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học Vật liệu tồn quốc lần thứ IX tại TP.Hồ Chí Minh, 11/2015. 49 BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 48 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Số liệu so sánh công nghệ một số pin sạc lại Bảng 1.2: Đặc trưng của pin Fe 12 khí 29 Bảng 2.1: Bảng hoá chất và nguyên vật liệu Bảng 3.1: Đặc trưng cơ bản của AB và Fe2O3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động pin kim loại khí…………… Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động pin Fe khí………………………… Hình 1.3: Đường cong phóng nạp điện cực sắt…………………… Hình 2.1: điện 13 Hệ 14 AutoLab Hình 2.3: Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử 15 qt…………………………… Hình 2.4: Sơ đồ ngun lý của kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 17 …… Hình Cyclic 20 Voltametry………………………… Hình 2.6:Quan hệ điện dòng điện quét vòng 21 Cell ba cực Hình 2.2: 2.5: Đồ thị quét vòng hồn… Hình 2.7: Quan hệ giữa điện thế và dòng điện trong qt thế vòng tuần kỳ 22 quét…………………………………………… Hình 2.8: Mạch điện tương đương bình đo điện 23 hóa………………… Hình 2.9: Sơ đồ biểu diễn tổng trở mặt phẳng 25 phức………………… Hình 3.1: của 27 AB……………………………………………… Hình 3.2: Ảnh SEM mẫu nmFe2O3 với độ phóng đại khác 28 Hình 3.3: Ảnh SEM mẫu µmFe2O3 với độ phóng đại khác 28 hoàn trong Ảnh số TEM chu Hình 3.4: Ảnh SEM của mẫu µmFe2O3/AB (a) và nmFe2O3/AB (b) Hình 3.5: Đặc trưng CV của điện cực AB (AB:PTFE= 90:10 wt%) 29 trong dung dịch 8 M KOH……………………………………… ……… Hình 3.6: Đặc trưng CV của điện cực composit nmFe2O3 (Fe2O3:PTFE = 30 90:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH + K2S (b)……………… Hình 3.7: Đặc trưng CV của điện cực composit µmFe2O3 (Fe2O3:PTFE = 31 90:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH + K2S (b)……………… Hình 3.8: Đặc trưng CV điện cực composit nmFe2O3 /AB 33 (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH + K2S (b)…………………………………………………………………… Hình 3.9: Đặc trưng CV điện cực composit µmFe2O3 /AB 35 (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH + K2S (b)…………………………………………………… ……………… Hình 3.10: Phổ tổng trở của điện cực nmFe2O3 (Fe2O3:PTFE = 38 90:10 wt.%) dung dịch KOH (a) KOH + K 2S 39 (b) Hình 3.11: Phổ tổng trở của điện cực µmFe2O3 (Fe2O3:PTFE = 90:10 wt.%) dung dịch KOH (a) KOH + K 2S 40 (b) Hình 3.12: Phổ tổng trở của điện cực nmFe2O3/AB (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH + 41 K2S (b) Hình 3.13: Phổ tổng trở của điện cực µmFe2O3/AB (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH + K2S (b) 41 BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Tên Acetylen black cacbon Cyclic Voltammetry Electrochemical Impedance Spectroscopy Open Circuit Potential (Thế mạch hở) Open Circuit Voltage (Điện áp mạch mở) Polytetrafluoroethylene Scanning Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Kí hiệu AB CV EIS OCP OCV PTFE SEM TEM MỞ ĐẦU Năng lượng điện đóng vai trò quan trọng trong đời sống của chúng ta. Tuy nhiên năng lượng điện hầu như khơng được tích trữ. Trong pin các hợp chất hóa học hoạt động như một phương tiện lưu trữ năng lượng Các thiết bị di động ngày càng phát triển nhanh, mạnh cả về số lượng, tính năng và cấu hình đang đòi hỏi khơng ngừng việc cải tiến, nâng cao chất lượng các loại pin sạc hiện có. Trong khi đó, cơng nghệ pin vẫn còn nhiều hạn chế, thách thức so với các u cầu của các thiết bị mới này. Các nhà khoa học đã mất rất nhiều năm để nghiên cứu và cố gắng tạo ra loại pin có khả năng lưu trữ năng lượng cao , thời gian sạc ngắn và đã đạt được những kết quả nhất định. Nhu cầu về pin hiệu suất cao, an tồn, mật độ năng lượng và năng lượng riêng cao, chi phí thấp, thân thiện với mơi trường cho các thiết bị điện tử, xe điện và các ứng dụng lưu trữ năng lượng ngày càng cao. Những năm gần đây, các nhà khoa học trên thế giới đã phát triển một thế hệ pin mới là pin kim loại khí với hoạt tính xúc tác cao hơn, bền hơn, chi phí thấp hơn các loại pin được sử dụng rộng rãi hiện nay. Loại pin này được xem là có tiềm năng ứng dụng trong các loại xe điện, xe hybrid điện… do chúng có mật độ năng lượng cao và oxy trong khơng khí được sử dụng như là vật liệu điện cực dương của pin [4, 34, 43]. Theo Giáo sư Hongjie Dai Đại học Stanford – Mỹ trích dẫn tài liệu tham khảo: “Hầu hết sự chú ý của thế giới hiện nay tập trung vào pin lithiumion mặc dù mật độ năng lượng (lưu trữ năng lượng cho mỗi đơn vị thể tích) của nó hạn chế, chi phí cao và mức độ an tồn thấp. Đối với pin kim loại khí thì mật độ năng lượng lý thuyết cao hơn so với pin lithium ion hay pin Ni MH, nguồn cung cấp ngun liệu phong phú, chi phí thấp và an tồn hơn do bản chất khơng cháy của các chất điện phân” Bảng 1.1 thể hiện số liệu so sánh cơng nghệ một số pin sạc lại, trong đó pin kim loại khí cho thấy năng lượng lý thuyết cũng như năng lượng riêng và mật độ năng lượng lớn nhất [28] Bảng 1.1. Số liệu so sánh công nghệ một số pin sạc lại Công nghệ Lead – acid Nickel – cadmium Nickel – iron Nickel – hydrogen Nickel – metal hydride Nickel – zinc Zinc/silver oxide Zinc/bromine Polysulfide/bromine Vanadium – redox Zinc/air Aluminum/air Iron/air Sodium/sulfur Sodium/nickel chloride Li – Al/FeS Li – Al/FeS2 Li – C/LiCoO2 Li – C/LiNi1xCoxO2 Li – C/LiMn2O4 – Thế Dung Năng Thời Tự phóng mạch lượng lượng gian (%/tháng) hở (V) riêng lý riêng lý sạc ở 200C thuyếta thuyếta (h) (Ah/kg) 120 181 224 289 178 215 283 238 27 21 825b 2980b 960b 375 305 345 285 100 105 (Wh/kg) 252 244 314 434 240 327 524 429 41 29 1320 8135 1250 755 787 459 490 360 400 8 – 24 1 – 16 1 24 1 – 2 8 – 18 8 – 12 6 –10 5 – 6 3 – 6 5 – 8 5 – 8 2.5 2.1 1.35 1.4 1.5 1.35 1.73 1.85 1.83 1.5 1.4 1.6 2.73 1.3 2.08 2.58 1.33 1.73 3 – 4 3 – 4 3 – 4 10 25 60 30 15 12 – 15 5 – 10 5 – 10 15